管線定向鉆穿越河道的防洪影響分析

周佩佩 陳莉莎 朱 晶

南京市水利規劃設計院股份有限公司

管線定向鉆穿越河道的防洪影響分析

周佩佩 陳莉莎 朱 晶

南京市水利規劃設計院股份有限公司

根據《防洪法》第二十七條，穿河工程應當符合防洪標準、岸線規劃、航運要求和其他技術要求，不得危害堤防安全，影響河勢穩定、妨礙行洪暢通。以電力管線定向鉆穿越河道工程為例，簡單介紹此類穿河工程在做防洪影響分析時需要注意的幾點事項，方便大家在實際工作當中借鑒和參考。

防洪；定向鉆；穿越

一、防洪總體要求

防洪要求包括工程自身的防洪要求和對河道堤防等水利工程設施的防洪影響兩個方面。

(一)防洪基本要求

管線穿堤出、入土點位于堤防管理范圍之外；

管道埋深滿足最大沖刷、河道規劃底高程、管道抗浮穩定等要求；

管道穿越符合水利工程防洪管理等相關要求，標識設置、運行監測、到期拆除方案等滿足相關安全要求；

管道穿河施工防滲處理、壓實及防沉降處理等措施滿足河道堤防及其他水利工程安全性要求；

管道穿河方案符合水利規劃要求，不對規劃實施造成不利影響。

(二)相關規范要求

(1)《防洪標準》(GB 50201-2014)中“6.5 管道工程”

(2)《堤防工程設計規范》(GB 50286-2013)中“10 堤防與各類建筑物、構筑物的連接”

二、工程設計要點

(一)平面布置

選擇的穿越位置應符合線路總體走向，并宜選在岸坡穩定地段。若需在岸坡不穩定地段穿越，則應對岸坡做護岸、護坡整治加固工程。穿越宜與水域軸線正交通過。若需斜交時，交角不宜小于60°，采用定向鉆穿越時，不宜小于30°。

管線穿越長度宜涵蓋設計洪水淹沒范圍，主河道的穿越長度應包括兩岸防洪堤，并滿足堤防保護的距離要求。當兩岸設有防洪堤壩及規劃防洪堤壩時，穿越的起始位置及堤下埋深應滿足水利主管部門規定。

管線采用水平定向鉆穿越時，若與公路橋梁、鐵路橋梁、水下隧道并行敷設，穿越管段距離橋梁墩臺沖刷坑外邊緣不宜小于10m，且不應影響橋梁墩臺安全；距離水下隧道的凈距不應小于30m。

為了不危及堤壩安全，水平定向鉆入土點、出土點及隧道豎井邊緣距大堤坡腳的距離不宜小于50m。

例，某通湖路管線共有1組6根電纜管下穿中心河，中心河河道管理范圍為河口線外10m。線路與河道中心線斜交約27°，入土點距離距離臨水側坡腳線約20m，管線出土點距離臨水側坡腳線約24m。管線直線距離長約160m，曲線距離長約195m。(注：此處線路與河道交角以及出入土點與大堤坡腳距離，應根據實際地形優化設計方案，盡量符合規范要求。)

(二)縱斷面布置

水平定向鉆敷設穿越管段的入土角宜為6°～20°，出土角宜為4°～12°，應根據地質條件、穿越管徑、穿越長度、管段埋深和彈性敷設條件確定。

以上述通湖路管線為例，管線縱剖面設計為曲線形式，設計管線敷設1組6孔×Φ200，綁扎寬度為650mm。管線從河道左岸鉆入，入土角為12°，穿過表層填土至③層土，管頂距離現狀河底線最近3.0m，出土點在河道右岸，出土角為8°。

三、定向鉆穿越施工方案簡介

穿越斷面應選擇在水域形態穩定的地段，兩側場地應滿足布設鉆機、泥漿池、材料堆放和管道組焊的要求。

定向鉆穿越施工應采用環保型泥漿，并應循環使用。(該條為強制性條文)

管線定向鉆穿越工程通常采用一次導向、擴孔、拖管的措施施工。拖管主要程序是：挖工作坑——打導向孔——一次導向擴孔——導向孔整形及高程、高差校正——穿設管道(管道焊接及拖管)。

(一)挖工作坑、下管坑

首先，在施工管道的兩端挖工作坑和下管坑，坑內上部土方采用機械開挖，下部用人工開挖。施工前先將地下管線查明，然后再進行施工。在開挖過程中，采取鋼制密擋土板對土壁進行支撐(橫板緊貼槽幫，支撐撐在橫板上)，保證原有構筑物或底部建筑物的安全，以便于工程進行操作，保證工程及人員的安全。

(二)鉆機就位和調試

按施工布置圖及規范要求將鉆機及附屬配套設備錨固在預定位置。鉆機入土角調整到設計要求角度。

泥漿是定向穿越中的關鍵因素，施工單位采取以下措施配制泥漿：①按照事先確定好的泥漿配比用一級膨潤土加泥漿添加劑等，所加添加劑符合環保。②使用的泥漿添加劑有：降失水劑、提粘劑和防塌潤劑等，所加添加劑符合環保。③為了確保泥漿的性能，使膨潤土有足夠的水化時間，在用量不改變的情況下，采取兩套泥漿儲存罐，延長循環周期的措施。

根據地質土層的不同，泥漿的配比也隨之變化，并選用不同的添加劑，以達到預期的效果。基漿的配制：5～8%預水化膨潤土+堿(Na2CO3)攪拌后水化而成(充分水化能明顯提高泥漿的性能)，堿的用量根據水質情況具體確定。

對于廢棄泥漿水的處理：在泥漿水中加入絮凝劑，由于泥漿水是一種水中含有一定量的微細泥顆粒的懸浮液體，高分子絮凝劑是一類水溶性的高聚物，將其與泥漿水混合時，由于絮凝劑具有架橋、網捕、吸附和電性中和等功能，可以破壞泥漿水的穩定性，使泥顆粒從水中迅速凝聚、沉降，從而達到泥水分離效果。

泥漿碴混合物的處理：①在沉淀池中清理出來的沉碴，運至蒸發池中，讓其自然脫水固化；②脫水后的鉆碴可做為路基填筑的填料，或運到儲料場，或回填取土坑；③自然脫水固化后所形成的干泥可就地回填廢棄的泥漿池。沉淀泥漿碴運至蒸發池中，清水循環利用。

(三)鉆孔導向

a鉆進時的入土角為設計角度，入射角可根據現場條件調整。

b導向孔根據設計曲線鉆進，曲線半徑由公式計算(根據鉆桿彎曲系數調整)。

c施工過程中，謹慎處理控向數據，并適當控制鉆進速度，保證導向孔光滑。

d由于每根鉆桿方向改變量較小，為保證左右方向，在出入鉆點之間每隔一根鉆桿就設一個明顯標記。每鉆進一根鉆桿，方向至少探測二次，對探測點要做好標記。認真記錄鉆進過程中持扭矩、推力、泥漿流量、泥漿壓力、方向改變量。

e導向孔完成后，根據鉆孔軌跡和數據記錄，確定此導向孔是否可用。軸線左右偏離控制在1%L(鉆進長度)內，深度偏差控制在0.5%L(鉆進長度)內。出土點偏差控制在0.5m內。

四、沖刷分析計算

水平定向鉆穿越深度應符合相關規范的敷設要求，水域穿越管段管頂埋深不宜小于設計洪水沖刷線或疏浚深度線以下6m。

根據《管線定向鉆進技術規范》(DG/TJ08-2075-2010 J11722-2010)穿河管線敷設最小覆土深度要求，一級主河道應在百年一遇最大沖刷深度線以下3m，二級河道應在河道河底設計標高以下3m，最大沖刷深度線以下2m。

沖刷分析計算需根據地質勘察報告可知管線穿越位置處河道底部表層土及土層厚度，結合管線在河底中心的埋深，分析該處現狀斷面河槽是否會發生一般沖刷。

沖刷深度分析計算方法：河床沖刷主要是由于水流輸沙平衡被破壞所致，一般情況下，當大流量來臨時，河床中細顆粒泥沙先起動并以懸移形式隨水流下泄，較粗顆粒泥沙則以推移質形式向前滾動或滑動，致使河床粗化，抗沖性增強；同時過水斷面面積增大，流速降低，從而水流沖刷作用減弱。水流與河床相互作用達到平衡狀態時，沖刷即會終止。

沖刷深度計算根據《公路工程水文勘測設計規范》(JTG C30-2015)中的計算方法，一般沖刷分析計算公式如下：

式中：hp——一般沖刷后最大水深(m)；

Q2——河槽部分通過的設計流量(m3/s)；

Bcj——河槽部分過水凈寬(m)；

IL——沖刷坑范圍內粘性土液性指數，適用范圍為0.16～1.19；

Ad——單寬流量集中系數，其中取1.0～1.2； Bz是造床流量下的河槽寬度(m)，對復式河床可取平攤水位時河槽寬度；

Hz是造床流量下的河槽平均水深(m)，對復式河床可取平攤水位時河槽平均水深；

μ——水流側向壓縮系數，根據《公路工程水文勘測設計規范》(JTG C30-2015)表7.3.1-1的規定；hcm——河槽最大水深(m)；hcq——河槽平均水深(m)。

五、岸坡抗滑穩定分析計算

在對岸坡抗滑穩定分析中，通常計算斷面取管線出入土點位置。根據《堤防工程設計規范》(GB50286-2013)，不同堤防等級選取對應的抗滑穩定容許安全系數。

(一)分析計算方法及軟件

岸坡穩定分析計算采用“瑞典圓弧滑動計算法”計算滑動力與抗滑力。根據工況不同，分別采用“總應力法”和“有效應力法”

計算軟件采用鐵道部第三勘測設計院與北京理正軟件設計研究院共同開發的“邊坡穩定分析軟件”(6.0PB1版)進行分析計算。

(二)計算工況

根據《堤防工程設計規范》(GB-50286-2013)，計算工況可參照表1。

表1 穿河處穩定分析計算工況

(三)計算參數

根據地質資料查看計算所用各土層物理力學指標，以通湖路管線為例，見表2。

表2 通湖路管線穿越處主要土層物理力學指標表

(四)計算結果

參照《堤防工程設計規范》相關要求，以通湖路管線為例，河道參照1級堤防，在各計算工況下，河道岸坡抗滑穩定安全系數計算結果見表3。

表3 通湖路管線穿越處岸坡穩定計算結果

根據岸坡抗滑穩定分析計算結果得出結論，工程位置的左、右岸坡在各工況下抗滑穩定安全系數是否能滿足規范要求，并附岸坡抗滑穩定計算結果圖。

圖1 左岸高水位+水位降落期計算附圖

六、結語

當前社會發展形勢下，定向鉆穿河工程應用廣泛。近兩年，南京汛期水情嚴峻，河道防洪安全問題必須引起重視。在做工程防洪影響分析時，分別從工程自身防洪要求和對河道堤防等水利設施的防洪影響兩個方面出發，參照相關規范，規范操作，才能更好地消除工程安全隱患，確保工程效益，進而促進我國社會經濟的穩定發展。

[1]《中華人民共和國防洪法》(2015年4月修訂)；

[2]《防洪標準》(GB 50201-2014)；

[3]《堤防工程設計規范》(GB 50286-2013)；

[4]《管線定向鉆進技術規范》(DG/TJ08-2075-2010 J11722-2010)；

[5]《公路工程水文勘測設計規范》(JTG C30-2015)。